Instrumentación y control - Instituto Tecnológico de Aguascalientes

Transcripción

1.- DATOS DE LA ASIGNATURA
Nombre de la asignatura:
Instrumentación y control
Carrera:
Ingeniería Química
Ingeniería Bioquímica
Clave de la asignatura:
AEF-1039
SATCA
3-2-5
2.- PRESENTACIÓN
Caracterización de la asignatura.
El control de procesos químicos y bioquímicos atiende la naturaleza dinámica de los
procesos y a la consiguiente necesidad de regular las variables deseadas del proceso, para
que éste se ajuste a los requerimientos óptimos de operación en términos de rendimiento
técnico, económicos y de seguridad.
Por otro lado, la característica dinámica de los procesos químicos y bioquímicos permite al
alumno, trasladar los conocimientos adquiridos en otras asignaturas y complementar el
tratamiento de funcionamiento estático o de régimen permanente de las diferentes
operaciones unitarias en los procesos químicos y bioquímicos.
Intención didáctica.
Se organiza el temario, en cuatro unidades. Los contenidos conceptuales de la
instrumentación, así como el estudio de los elementos finales de control, se presentan en la
primera unidad, en las subsiguientes unidades se enfocan al modelado dinámico de
procesos, el estudio del control de procesos, y diferentes técnicas de control.
En la primera unidad se pretende dar un panorama de los principios de operación de los
elementos primarios de medición, específicamente los de presión, flujo, nivel y temperatura,
que son los más usuales en el control de procesos.
Se desarrollan modelos dinámicos a partir de ecuaciones de conservación de masa y
energía y se estudian los procesos de primer orden, segundo orden y orden superior, a
partir de estas ecuaciones. Y se estudia el comportamiento ante diversos tipos de entrada
específica. Se sugiere realizar simulación dinámica y desarrollar modelos a partir de
experimentación, para enriquecer la modelación de sistemas.
Se estudia el comportamiento de sistemas a lazo abierto y cerrado, utilizando control clásico
y se abordan diferentes formas de sintonización de controladores.
Finalmente se estudian estrategias de control de procesos utilizados en la industria, como
son: control relacional, en cascada y anticipatorio.
3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Competencias específicas:
Competencias genéricas:
Conocer la simbología utilizada en la
Instrumentación.
Competencias instrumentales
Conocer los principios para la medición de
las variables de proceso:
•
•
•
Conocer los diferentes tipos de medidores
de presión, flujo, nivel y temperatura.
•
Conocer los elementos finales de control.
Capacidad de análisis y síntesis
Capacidad
de
organización
y
planificación.
Habilidades básicas de manejo de la
computadora
Habilidad para buscar y analizar
información proveniente de fuentes
diversas
Solución de problemas
Toma de decisiones.
Resolución de casos prácticos
Deducir el modelo matemático de sistemas
físicos.
•
•
•
Comprender los conceptos fundamentales
de los elementos y sistemas de control.
Competencias interpersonales
Obtener la respuesta en el dominio del
tiempo de sistemas físicos, partiendo de los
modelos matemáticos y transformados al
dominio de Laplace.
Comprender los efectos de los diferentes
modos de control (P, PI, PID) en la
respuesta de los sistemas.
Reconocer la estabilidad de sistemas de
control automático.
Determinar los parámetros de ajuste de los
controladores a lazo cerrado.
Conocer
algunas
de
las
diferentes
estrategias de control de procesos químicos.
•
•
•
•
Razonamiento crítico
Trabajo en un equipo de carácter
interdisciplinario.
Trabajo en un contexto internacional.
Capacidad para comunicarse con
expertos de otras áreas
Competencias sistémicas
•
•
•
Aprendizaje autónomo.
Adaptación a nuevas situaciones.
Capacidad de aplicar los conocimientos
en la práctica
4.- HISTORIA DEL PROGRAMA
Lugar
y
fecha
de
elaboración o revisión
Instituto Tecnológico de
Villahermosa,
Tabasco,
del 07 al 11 de septiembre
del 2009.
Participantes
Representantes de los
Institutos Tecnológicos de:
Aguascalientes, Celaya,
Centla, Chihuahua,
Durango, La laguna,
Lázaro Cárdenas,
Matamoros, Mérida,
Minatitlán, Orizaba,
Pachuca, Parral,
Tapachula, Tepic, Toluca,
Veracruz, Villahermosa.
Instituto Tecnológico de Representante
Durango, de septiembre Academia de
2009 a diciembre 2009.
Química
Observaciones
(cambios y justificación)
Reunión de Diseño curricular de
la carrera de Ingeniería Química
del Sistema Nacional de
Educación
Superior
Tecnológica
de
la Análisis,
enriquecimiento
y
Ingeniería elaboración del programa de
estudio
propuesto
en
la
Reunión Nacional de Diseño
Curricular de la carrera de
Ingeniería Química.
Instituto Tecnológico de Representante
de
los
Aguascalientes. 15-18 de Institutos Tecnológicos de
junio de 2010
Tuxtepec, Tijuana, Saltillo,
Zacatecas,
Mérida,
Veracruz,
Celaya,
Aguascalientes y Orizaba
y
de
los
Institutos
Superiores de Poza Rica,
Tamazula de Giordano,
Tacámbaro,
Irapuato,
Coatzacoalcos
y
Venustiano Carranza
Reunión
Nacional
de
Fortalecimiento Curricular de
las Asignaturas Comunes por
Área de Conocimiento para los
Planes de Estudio Actualizados
de los Programas del SNEST
5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO
Establecer a partir de los requerimientos de un proceso químico o bioquímico, las
necesidades básicas de control, la instrumentación más adecuada, tanto de sensores como
actuadores, la configuración del o de los lazos necesarios para el correcto funcionamiento
del sistema y establecer los parámetros de sintonía de los controladores.
6.- COMPETENCIAS PREVIAS
•
•
•
•
•
•
Realizar balances de materia y energía, de diversos procesos químicos.
Resolver ecuaciones diferenciales simultáneas, utilizando la técnica de Laplace así
como utilizar diversos métodos numéricos.
Utilizar series de Taylor para realizar linealizaciones de sistemas no lineales.
Realizar operaciones con números complejos y transformadas de Laplace.
Manejar el entorno MatLab y Simulink.
Manejar el simulador Aspen Plus.
7.- TEMARIO
Unidad
1
Temas
Elementos primarios y finales de
control.
2
Modelación dinámica de sistemas de
control
3
Diseño de controladores
Subtemas
1.1 Simbología y diagramas de
instrumentación
1.1.1 Simbología ISA
1.1.2 Terminología SAMA
1.2 Elementos Primarios de medición.
1.2.1 Medidores de presión
1.2.2 Medidores de Flujo
1.2.3 Medidores de nivel
1.2.4 Medidores de temperatura.
1.3 Elementos finales de control.
1.3.1 Tipos de válvulas automáticas
de control de caudal.
1.3.2 Características de caudal
inherente en válvulas de
globo.
1.3.3 Dimensionamiento de
válvulas de globo.
2.1Definiciones
2.2 Modelos de procesos químicos
2.3 Linearización de procesos no lineales
2.3 Sistema de primer orden
2.4 Sistema de segundo orden
2.5 Sistema de orden superior
3.1 Diagramas de Bloques.
3.2 Desarrollo de funciones de
transferencia.
3.3 Control Proporcional
3.4 Control Proporcional Integral
3.5 Control Proporcional Integral
Derivativo
4
Técnicas adicionales de control
3.6 Estabilidad
3.7 Sintonización de controladores
4.1 Control relacional
4.2 Control en cascada
4.3 Control anticipatorio
8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS
La asignatura se desarrollará en el aula usando el pizarrón y medios de proyección con una
metodología basada en la utilización de ejemplos de procesos químicos simples que facilite
el entendimiento de los aspectos conceptuales y su afianzamiento, con la resolución analítica
de ejercicios prácticos y el apoyo de soporte informático.
Las clases teóricas serán soportadas con un ambiente simultáneo de resolución de ejemplos
continuados, usando herramientas como Matlab, esto para afianzar cada uno de los
conceptos y facilitar el entendimiento de su aplicación.
El estudiante deberá realizar individualmente y en grupo actividades no presenciales, en
donde pondrá en práctica las técnicas, procedimientos e instrumentos propios de la
asignatura, para ello deberá buscará la información relacionada con la temática como base
para la elaboración del trabajo y la emisión posterior de su informe que será expuesto y
sometido a debate por el resto de la clase.
9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN
Exámenes de teoría y problemas: Se realizarán exámenes parciales. Constarán de
cuestiones teórico-prácticas y de problemas, planteadas para evaluar el grado de adquisición
de las competencias a desarrollar.
Actividades Académicas (resolución de casos prácticos): Se valorará el tratamiento de los
contenidos teóricos aplicados, mediante la realización de trabajos monográficos y
exposiciones, de las herramientas utilizadas, la estrategia de resolución y las conclusiones.
Actividades prácticas: Se realizarán prácticas en simuladores analizando comportamientos
de lazo abierto y lazo cerrado, así como sistemas complejos.
10.- UNIDADES DE APRENDIZAJE
Unidad 1: Elementos primarios y finales de control.
Competencia específica a
desarrollar
Conocer la simbología utilizada en la
Instrumentación.
Conocer los principios para la
medición de las variables de
temperatura, nivel, flujo y presión.
Conocer los tipos de medidores de
temperatura, presión, nivel y presión.
Conocer los elementos finales de
control.
Actividades de Aprendizaje
• Identificar las distintas simbologías de
representación de los instrumentos industriales
(ISA y SAMA).
• Buscar y seleccionar información de normas
utilizadas en instrumentación.
• Identificar en planos de procesos industrial los
símbolos y normas utilizadas en
instrumentación.
• Observar en planta piloto o industria la
aplicación y montaje de instrumentos
• Investigar sobre la teoría básica de la
temperatura, flujo, nivel y presión.
• Investigar los principios de funcionamiento de
los diferentes tipos de medidores para las
variables físicas
• Relacionar la ecuación del instrumento para
aplicaciones de control clásico
Unidad 2: Modelación dinámica de sistemas de control
desarrollar
Comprender los conceptos
fundamentales de los elementos y
sistemas de control.
Deducir el modelo matemático de
sistemas físicos.
Obtener la respuesta en el dominio
del tiempo de sistemas físicos,
•
•
•
•
•
Buscar y seleccionar información general de
conceptos y definiciones de control
Comprender las definiciones de los elementos y
sistemas básicos de control.
Buscar y seleccionar información de las leyes
del comportamiento físico de sistemas.
Deducir modelos matemáticos por medio de
balances en procesos químicos.
Linealizar términos no lineales utilizando las
partiendo de los modelos matemáticos
y transformados al dominio de Laplace •
•
•
•
•
•
•
•
•
series de Taylor
Deducir modelos matemáticos lineales de
procesos químicos.
Deducir modelos matemáticos lineales de
procesos químicos en términos de variables de
desviación
Aplicar la transformada de Laplace a los
modelos.
Establecer la función de transferencia de
diferentes sistemas.
Conocer las diferentes funciones de excitación.
Identificar elementos de entrada y salida de
sistemas de control en el dominio del tiempo.
Simular la respuesta en el tiempo de sistemas
de primer orden.
de segundo orden.
de orden superior.
Unidad 3: Diseño de controladores
desarrollar
Comprender los efectos de los
diferentes modos de control (P, PI,
PID) en la respuesta de los sistemas.
•
•
•
Reconocer la estabilidad de sistemas
de control automático.
Determinar los parámetros de ajuste
de los controladores a lazo cerrado.
•
•
•
•
•
Elaborar diagramas de bloques.
Buscar y seleccionar información de los modos
de control y sintonización.
Comprender el comportamiento de los
diferentes modos de control y sus
combinaciones en los procesos
Seleccionar el control adecuado para un
proceso.
Determinar la estabilidad de un sistema,
utilizando algún método como Routh,
sustitución directa o localización de raíces en el
plano complejo.
Investigar las diferentes técnicas para la
sintonización de controladores.
Aplicar técnicas de sintonización (cálculo de los
parámetros).
Comparar las respuestas de lazo cerrado con
diferentes conjuntos de parámetros.
Unidad 4: Técnicas adicionales de control
desarrollar
Conocer técnicas adicionales
control de procesos químicos.
del •
Buscar y seleccionar información general de
conceptos y definiciones de otros controles.
•
•
Comprender las definiciones de los elementos y
sistemas básicos de diferentes estrategias de
control
Comparar las respuestas de las diferentes
estrategias de control vs. control
retroalimentado clásico.
11.- FUENTES DE INFORMACIÓN
1. Smith, C. A y Corripio, A. B. Principios y Práctica de Control Automático de
Procesos. John Wiley & Sons.
2. Creus, A. Instrumentación Industrial. Alfaomega Marcombo.
3. Stephanopoulos, George. Chemical Process Control: An introduction to Theory
and Practice. Prentice – Hall.
4. Thomas, E., Marlin. Process Control: Designing Processes and Control Systems
for Dynamic Performance. McGraw – Hill.
5. Coughanowr, D. R. y Koppel, L. B. Process System Analysis and Control. Prentice
– Hall, 1993.
6. Deshpande, P. B. y Ash, R. H. Elements and Computer Process Control. Prentice –
Hall, 1981.
7. Seborg, D.E., Edgar, T.F. y Mellichamp. Process Dynamics and Control. John Wiley
& Sons, 1989.
8. Pallas, Areny R. Sensores y Acondicionadores de Señal. Marcombo.
9. Hauptmann, Peter. Sensor: Principles and Applications. Prentice – Hall.
10. Anderson, Norman A. Instrumentation for Process Measurement and Control.
Foxboro.
11. Douglas, M. Coisidine. Manual de Instrumentación Aplicada. McGraw – Hill.
12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS
1. Simulación por computadora de un proceso a lazo abierto y lazo cerrado. (MatLab)
Simulink.
2. Sintonización de los parámetros de un controlador en simulaciones dinámicas.
3. Elaboración de diagramas de procesos reales usando las simbologías (ISA,
SAMA).
4. Identificación de estándares de simbología en un proceso real.
5. Sintonización de los controladores en cascada.
6. Diseño y simulación de un proceso de instrumentación virtual.
7. Determinación del Cv de una válvula.
8. Determinación de la constante de tiempo de un sistema de primer orden (ejemplo:
termómetro).
9. Aproximación de un proceso real a un sistema de primer orden más tiempo muerto
(ejemplo: calentamiento de agua en una parrilla).
10. Comparación de diferentes instrumentos para medir la misma variable

Instrumentación y control - Instituto Tecnológico de Aguascalientes

Transcripción

Documentos relacionados

El Verdadero Objetivo de un Sistema de Control